UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL

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1 UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA SEDE GUAYAQUIL CARRERA: INGENIERIA EN SISTEMA TRABAJO DE TITULACIÓN PREVIA A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE: Ingeniero en Sistemas con Mención en Telemática TEMA: DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UNA RED MPLS PARA INTERCONECTAR ESTACIONES REMOTAS UTILIZANDO EL EMULADOR GNS3 AUTORA: EMILENI SOLANGE CASTRO ULLAURI DIRECTOR DE TESIS: ING. DARÍO FERNANDO HUILCAPI SUBÍA Guayaquil, Marzo del 2015

2 DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD Y AUTORIZACIÓN DE USO DEL TRABAJO DE GRADO Yo Emileni Solange Castro Ullauri autorizo a la Universidad Politécnica Salesiana la publicación total o parcial de este trabajo de grado y su reproducción sin fines de lucro. Además declaro que los conceptos y análisis desarrollados y las conclusiones del presente trabajo son de exclusiva responsabilidad de la autora Emileni Solange Castro Ullauri II

3 DEDICATORIA Esta dedicatoria se la merecen muchas personas transcendentales en mi vida, pero empezare por la más importante, mi Dios de lo imposible, que a pesar de mis dudas siempre me recordaba que este monte lo llegaría a conquistar, te doy gracias mi Dios por las fuerzas que me distes y por cada una de las barreras que me ayudaste a derribar. Agradezco a Pico, Katy, Melo y a mi madre que contribuyeron en mi vida universitaria y en mi vida cotidiana, a mi esposo y a mi hijo amado que contribuyeron con una sonrisa y abrazo diario para llenar mi motor de fortaleza. Le agradezco a cada uno de ustedes por ser mi familia. III

4 AGRADECIMIENTO Agradezco a cada uno de los profesores por acompañarme en este caminar universitarios, pero sobre todo le agradezco al Ing. Llerena por sus palabras de aliento cada vez que me encontraba en los pasillos de la universidad, a la Ing. Lily Santos jamás olvidare su puntualidad, respeto y dedicación para cada uno de sus estudiantes; al Ing. Danny Barona por su dedicación y paciencia en cada consulta realizaba, a la Ing. Shirley Coque por ser tan practica y eficiente en su trabajo, y demostrar que la tecnología no solo se usa con fines sociales; sin su ayuda no hubiera alcanzado fácilmente mi objetivo y para finalizar le agradezco a mi director de tesis Ing. Darío Huilcapi por aceptar guiarme en este camino final. Gracias a todos ustedes por contribuir en mi vida universitaria y alentarme a superar mis expectativas profesionales, que Dios los bendiga con abundante salud, sabiduría y mucho gozo. IV

5 ÍNDICE GENERAL DECLARATORIA DE RESPONSABILIDAD Y AUTORIZACIÓN DE USO DEL TRABAJO DE GRADO... II DEDICATORIA... III AGRADECIMIENTO... IV ÍNDICE GENERAL... V ÍNDICE DE TABLAS... IX ÍNDICE DE FIGURAS... X RESUMEN... XII ABSTRACT... XIII INTRODUCCIÓN... 1 CAPÍTULO PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Enunciado del Problema Formulación del Problema Sistematización del Problema Objetivos de la Investigación Objetivo General Objetivos Específicos Justificación Importancia Necesidad Beneficios de la Tecnología MPLS Beneficios y Ventajas Para el Proveedor de Servicios... 6 CAPÍTULO MARCO TEÓRICO Antecedentes Investigativos Fundamentación Teórica V

6 Qué es MPLS? Cómo Funciona MPLS? Ventajas y Desventajas de MPLS Ventajas Desventajas Ventajas con Respecto otras Tecnología Estructura de una Red MPLS Arquitectura de la Red MPLS Router Conmutador de Etiquetas (LRS: Label Switch Router) Router de Frontera de Etiquetas (LER: Label Egde Router) Clase Equivalente de Envío (FEC: Forwarding Equivalence Class) NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Etiquetas (Label) Creación de Etiquetas La Pila de etiquetas (Label Stack) Uniones a Etiquetas Distribución de Etiquetas Control de Distribución de Etiquetas Esquemas de Distribución de Etiquetas Fusión de etiquetas (Label Merging) Mecanismos de Señalización Proceso de Envío en MPLS y tablas que lo asisten Retención de etiquetas Ruta Conmutada de Etiquetas (LPS: Label Switched Path) Aplicaciones de la Red MPLS Ingeniería de Tráfico Calidad de Servicio (QoS) y Clases de Servicios (CoS) Redes Virtuales Privadas MPLS Convergencia Real: MPLS Ideas Preconcebidas Sobre MPLS MPLS Elimina el Enrutamiento? MLPS en Ecuador Formulación de la Hipótesis Hipótesis General Hipótesis Particulares Señalamiento de Variables Variables Independientes VI

7 Variables Dependientes Matriz Causa Efecto Marco Conceptual CAPÍTULO MARCO METODOLÓGICO Modalidad Básica de la Investigación Nivel o Tipo de Investigación Población y Muestra Operacionalización de Variables e Indicadores Plan de Recolección de Información La entrevista Observación Revisión Documental Plan de Procesamiento de la Información Cuestionario de Preguntas CAPÍTULO ANÁLISIS Y RESULTADOS Análisis de los Resultados Entrevista Interpretación de Datos Verificación de Hipótesis CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Conclusiones Recomendaciones CAPÍTULO PROPUESTA Datos Informativos Proponente VII

8 Objeto de Estudio Beneficiarios Antecedentes de la Propuesta Justificación Objetivos Objetivo General Objetivos Específicos Análisis de Factibilidad Factibilidad Económica Fundamentación Metodología y Modelo Operativo Metodología Modelo Operativo Administración Cronograma de Actividades Presupuesto Software GNS Ventajas de GNS3 sobre Packet Tracet Desventajas de GNS Interfaz Gráfica del GNS Introducción a la Simulación Diseño y Configuración de la Red MPLS Diseño de la Red MPLS Configuraciones Básicas de los Equipos Configuración del Núcleo MPLS Configurando en Router Reflector Configurando los PE Configurando los CE Bibliografía Anexos VIII

9 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1. Matriz Causa Efecto Tabla 2. Operacionalización de Variables e Indicadores Tabla 3. Operacionalización de Variables e Indicadores Tabla 4. Factibilidad Económica del Proyecto Tabla 5. Modelo Operativo Tabla 6. Presupuesto de Tesis IX

10 ÍNDICE DE FIGURAS Gráfico 1. Origen de la Tecnología MPLS... 9 Gráfico 2. Evolución de lp_atm hacia MPLS... 9 Gráfico 3. Descripción de la Ubicación de MPLS en el modelo OSI Gráfico 4. Demostración Básica de una Red MPLS Gráfico 5. Distribución de Paquetes de la Red MPLS Gráfico 6. Descripción paso a paso del funcionamiento del envío de paquetes en una Red MPLS Gráfico 7. Descripción de la Cabecera de la Red MPLS Gráfico 8. Componentes y Conceptos Básicos de la Red MPLS Gráfico 9. Diagrama de Bloques del LSR Gráfico 10. Diagrama de Bloques del LER Gráfico 11. Clasificación de la Distribución de los Paquetes Fec Gráfico 12. Explicación Gráfica de la Segmentación de las Etiquetas en MPLS Gráfico 13. Mecanismo de Señalización Gráfico 14. Esquema de Operacional de la Red MPLS Gráfico 15. Tabla de Etiquetas de un Router de Conmutación LSR Gráfico 16. Comparación de Camino IGP v/s TE Gráfico 17. Modelo básico de referencia para balanceo de carga Gráfico 18. Modelo Funcional para balanceo de carga Gráfico 19. Descripción de LSPs paralelos de la Red MPLS Gráfico 20. Esquema Funcional de Mate Gráfico 21. Clases de Tráfico Definidos por Mate Gráfico 22. Topología de referencia para los algoritmos TSLB, RSLB, DLB Gráfico 23. Esquema de Calidad de Servicio QOS Gráfico 24. Ejemplo de una Red Privada Virtual O VPN Gráfico 25. Túneles de Comunicación Protegidos por IPSec entre redes separadas. 51 Gráfico 26. Explicación del envión de Paquetes en una Red VPN MPLS sobre Capa Gráfico 27. Explicación Gráfica de la Red MPLS y la Convergencia IP Gráfico 28. Cronograma de Actividades de la Tesis Gráfico 29. Interfaz Gráfica de GNS X

11 Gráfico 30. Herramienta Básica de GNS Gráfico 31. Administrador de Snapshots de GNS Gráfico 32. Mostrar y Esconder las conexiones de GNS Gráfico 33. Console Connect to all devices de GNS Gráfico 34. Inicio de GNS Gráfico 35. Pausa de GNS Gráfico 36. Pare de GNS Gráfico 37. Reinicio de GNS Gráfico 38. Barra de Dibujo de GNS Gráfico 39. Barra de Herramienta Tipo de Nodos de GNS Gráfico 40. Selección de IOS en GNS Gráfico 41. Pantalla IOS Router Preferences en GNS Gráfico 42. Arquitectura de la Red Gráfico 43. Topología Básica de ISP CORE / OSPF IGP Gráfico 44. Configuración de los Router XI

12 RESUMEN El presente trabajo de tesis tiene como objetivo entender la tecnología MPLS, mediante un diseño que simule la implementación de una red que interconecte estaciones remotas de una empresa X, describiendo claramente las ventajas y beneficios que ofrece la misma. La simulación en GNS3 ayudará a interactuar con los diferentes equipos, protocolos, topología y configuraciones que se utilizan en tiempo real, los cuales podrían ser aplicadas en componentes reales, sin obtener ningún inconveniente al momento de conectarlos, instalarlos y programarlos tal cual se realizó en la simulación. Adicionalmente GNS3 es una aplicación que permite practicar y aprender sobre las tecnologías actuales, ya que el software permite implementar y observar, muy detalladamente el funcionamiento de las redes sin la necesidad de conectarlas físicamente. Con la implementación se logró evidenciar que el protocolo MPLS permite realizar una mezcla entre el proceso de enrutamiento y reenvió de datos, además se verifico como pueden trabajar en conjunto con el protocolo BGP para permitir la superposición de rutas en la nube MPLS, también se identificó la manera de ahorrar recursos y puertos físicos a la hora de implementar MP-BGP en la nube del proveedor mediante el uso del Route Reflectors, después de confirmar estas resoluciones se puede concluir que la implementación de la tecnología estudiada presenta diversas ventajas para los proveedores, principalmente en cuanto al ahorro de capacidades de procesamiento, equipos físicos, disminución del retardo, fluctuaciones, y perdida de paquetes, además brinda a la red mayor velocidad de transmisión, y aumento de fiabilidad en el transporte de datos entre dos puntos distantes geográficamente, pero pertenecientes a una misma red. XII

13 ABSTRACT The aim of the thesis is to understand the MPLS technology, with a design that simulates the implementation of a network interconnecting remote stations of a company X, clearly describing the advantages and benefits of the same. The simulation GNS3 will help you interact with different equipments, protocols, topology and configuration that are used in real time, which could be applied in real components, without having any problem when you connect, install and program them as it was done in the simulation. Additionally, GNS3 is an application that allows you to practice and learn about current technology, since as the software allows the ability to implement and observe in great detail the operation of networks without the need to physically connect them. After implementing it was evident that the MPLS protocol allows a mix between the routing process and resending data. Additionally, it was verified that it work in conjunction with the BGP protocol to allow overlapping routes in MPLS cloud. It was identified how to save resources and physical ports when implementing MP- BGP in cloud provider by using the Route Reflectors, after confirming these resolutions it can be concluded that the implementation of the technology studied brings benefits to providers, mainly in terms of saving processing capabilities, hardware, decreased delay fluctuations, and packet loss, the network also provides higher throughput, increased reliability and data transport between three geographically distant points, but belonging to the same network. XIII

14 INTRODUCCIÓN La popularización del internet en los últimos años impuso un ritmo acelerado en el crecimiento de las redes de datos. A mediados de la década de los 90, la demanda por parte de los clientes de los ISP (Internet Service Providers) de aplicaciones multimedia con altas necesidades de ancho de banda, una calidad de servicio garantizada, gran capacidad para procesar y encaminar paquetes por segundo, priorización de paquetes, los cambios tecnológicos y la fusión de los servicios, propiciaron la introducción de ATM ( Asyncronous Transfer Mode) en la capa de enlace (Nivel 2 de OSI) de sus redes. Esta arquitectura, no obstante, presenta ciertas limitaciones, debido a la dificultad de operar e integrar una red basándose en dos tecnologías muy distintas, Debido a las necesidades insatisfechas de las demandas establecidas se desarrolló la tecnología MPLS (Protocolo de Conmutación de Etiquetas), creada para las redes de nuevas aplicaciones que permite interactuar con diferentes protocolos y tecnologías sin que presente ningún conflictos entre ellas, además ofrecer diferentes niveles de servicio en un entorno de mayor fiabilidad acortando distancias geográficamente distantes con mínimo retardo y a su vez mantener la calidad en el servicio. Implementar MPLS en empresas medianas y grandes es unos de los requisitos fundamentales actualmente; es por ello que tener el adecuado diseño de las redes, es un requisito fundamental para el crecimiento y buen desempeño de cualquier de las mismas; por estas exigencias los futuros profesionales de redes debemos ser capaces de diseñar e identificar herramientas que nos permitan optimizar, garantizar, simular las topologías de redes, los protocolos de enrutamiento y minimizar la mayor cantidad de errores posible que se puedan presentar en nuestro futuro diseño. 1

15 CAPÍTULO 1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 1.1. Enunciado del Problema Desde sus inicios los backbones IP estaban construidos por enrutadores conectados entre sí, lo que provocaba saturación y congestionamiento en las redes de transmisión, fue así que se aumentó el rendimiento de los enrutadores, dándose a conocer los conmutadores ATM con ciertas capacidades de control IP, sin embargo los conmutadores ATM no tuvieron el resultado esperado por ende se creó la conmutación IP para solucionar el rendimiento de las redes en aquel entonces, pero esta nueva solución presente problemas de congestionamiento e inoperabilidad entre las distintas tecnología de capa 2 o capa 3. Con el pasar del tiempo se crearon nuevos protocolos con el objetivo de diseñar la ruta más corta que un paquete de datos debía seguir, tomando en consideración los demás parámetros (retardos, calidad de servicio, congestión de tráfico, entre otros) que ocasionaban dificultad al momento de enviar un paquete a su destino final. Por estas razones se desarrolló el Protocolo de Conmutación de Paquetes, MPLS, como solución a estos problemas, por ende es necesario la profundidad del tema, para entender la tecnología Formulación del Problema La llegada de la conmutación de paquetes introdujo una nueva cuestión al plantear si las redes de transporte debían o no tener un grado significativo de inteligencia en su núcleo; recientemente se han creado una serie de tecnologías digitales para su aplicación en el transporte, cada una de ellas orientada inicialmente a solventar problemas específicos. 2

16 Sin embargo en la actualidad existe un nuevo protocolo que solventa todas las necesidades anteriormente citadas. La duda que se genera sobre el protocolo con respecto a la necesidad de solventar los actuales requerimientos de los usuarios y empresas hace que se genere la siguiente interrogante: 1. Se podría considerar a las redes basadas en la tecnología MPLS, una solución óptima para el desarrollo y diseño de redes Lan y Wan en una empresa que desea interconectar sucursales remotas entres si? 1.3. Sistematización del Problema 1. Por qué la IETF decidió crear la Tecnología MPLS? 2. MPLS solucionará los problemas de reenvío de paquetes que presentan las actuales tecnologías? 3. El software GN3 es una herramienta confiable que nos permitirá minimizar errores en el diseño que podríamos implementar? 4. Realizar un diseño que nos permita estudiar la estructuración de las redes MPLS en redes distribuidas de múltiples sucursales? 1.4. Objetivos de la Investigación Objetivo General Investigar la tecnología MPLS, con el fin de demostrar mediante la simulación de un diseño que permita interconectar sucursales remotas, los beneficio de implementar MPLS. 3

17 Objetivos Específicos 1. Investigar las razones por la cual la IETF creo de la tecnología MPLS. 2. Analizar los factores relevante que interviene en una red MPLS, describiendo claramente sus componentes globales (enrutamiento (routing), reenvió (forwarding), sus protocolos de distribución y aplicaciones potenciales (redes privadas virtuales, ingeniería de tráfico, calidad de servicio.)en las redes IP. 3. Analizar y Determinar si el software GN3 es una herramienta confiable que minimizará los errores en la implementación. 4. Diseñar una simulación que permita estudiar la aplicación de las redes basadas en MPLS en redes distribuidas del múltiples sucursales Justificación Una nueva visión a la hora de manejar las redes está dando lugar al crecimiento de las tecnologías de conmutación, es así que surge el Multiprotocolo de Conmutación de Etiquetas (MPLS Multiprotocol Label Switching), el cual ofrece la flexibilidad para entregar y enrutar tráfico en caso de fallas de enlace, congestión, cuello de botella y mejorar la calidad de servicio. Sin embargo para entender dicha tecnología se requiere de personal capacitado que maneje la gestión de redes no solo dentro de las empresas de telecomunicaciones, sino también en las universidades. Es por esa razón que el presente trabajo se enfoca en estudiar y explicar la tecnología MPLS, sus conceptos, sus aplicaciones, sus ventajas y sus beneficios a través de una adecuada herramienta de simulación, demostrando de esta manera que el conocimiento se afianza con la práctica. 4

18 Importancia Reduce significativamente el procesamiento de paquetes que se requiere cada vez que ingresa un paquete a un enrutador en la red. El tráfico de red desvía el tráfico de rutas congestionadas por otros caminos más despejados, aunque estos no sean la trayectoria más corta. Soporta varios protocolos además de IPV4 y IPV Necesidad MPLS surge de la necesidad de mejorar el descongestionamiento, la redundancia, la velocidad de tráfico y la escalabilidad en el servicio de transporte de datos tradicionales de los paquetes IP Beneficios de la Tecnología MPLS MPLS combina el rendimiento y capacidades de conmutación de nivel 2 (capa de enlace) con la probada escalabilidad de ruteo de nivel 3 (capa de red). Calidad de Servicio. Encriptamiento Ingeniería de Tráfico 5

19 Beneficios y Ventajas Para el Proveedor de Servicios Convergencia de Servicios (Voz, Datos y Video) utilizando la concentración de diversas tecnologías de acceso que utilizan los usuarios. Se puede reconfigurar con facilidad para suprimir o introducir nuevos usuarios y/o servicios adicionales utilizando un punto a la MPLS. Flexibilidad al poder conectar cualquier punto de una VPN con quien desee, utilizando el mejor camino entre cada punto combinando los beneficios de la transmisión de datos entre dos puntos cualquiera (sin conexión) y de la transmisión con conexión punto a punto eliminando sus inconvenientes. Se enruta el tráfico basado en restricciones CSPF (Constrained Shortest Path First) y se utilizan ER-LSPs para pasarlo, así el camino puede obtener optimización de la ruta y/o puentear un enlace que ha fallado. Se puede utilizar el sistema de reservas de tráfico por medio de RSVP (Reserv Service Virtual Path) dentro de MPLS, donde el protocolo LDP asociará etiquetas a aquellos flujos que tienen reserva. 6

20 CAPÍTULO 2 MARCO TEÓRICO 2.1. Antecedentes Investigativos El enorme crecimiento de la red Internet ha convertido al protocolo IP ( Internet Protocol) en la base de las actuales redes de telecomunicaciones, contando con más del 80% del tráfico cursado. La versión actual de IP, conocida por IPv4 y recogida en la RFC 791, lleva operativa desde Este protocolo de capa de red (Nivel 3 OSI), define los mecanismos de la distribución o encaminamiento de paquetes, de una manera no fiable y sin conexión, en redes heterogéneas; es decir, únicamente está orientado a servicios no orientados a conexión y a la transferencia de datos, por lo que se suele utilizar junto con TCP ( Transmission Control Protocol) (Nivel 4 de OSI) para garantizar la entrega de los paquetes. (Black, Uyless D., 2000) A mediados de la década de los 90, la demanda por parte de los clientes de los ISP (Internet Service Providers) de aplicaciones multimedia con altas necesidades de ancho de banda y una calidad de servicio o QoS ( Quality of Service) garantizada, propiciaron la introducción de ATM ( Asyncronous Transfer Mode) en la capa de enlace (Nivel 2 de OSI) de sus redes. (Fernández, 2014) En esos momentos, el modelo de IP sobre ATM satisfacía los requisitos de las nuevas aplicaciones, utilizando el encaminamiento inteligente de nivel 3 de los routers IP en la red de acceso, e incrementando el ancho de banda y rendimiento basándose en la alta velocidad de los conmutadores de nivel 2 y los circuitos permanentes virtuales de los switches ATM en la red troncal. Esta arquitectura, no obstante, presenta ciertas limitaciones, debido a: la dificultad de operar e integrar una red basándose en dos tecnologías muy distintas, la aparición de switches ATM e IP de alto rendimiento en las redes troncales, y la mayor capacidad de transmisión ofrecida por SDH/SONET ( Synchronous Digital Hierarchy / Syncronous Optical 7

21 NETwork) y DWDM ( Dense Wavelength Division Multiplexing) respecto a ATM. (Fernández, 2014) Durante 1996, empezaron a aparecer soluciones de conmutación de nivel 2 propietarias diseñadas para el núcleo de Internet que integraban la conmutación ATM con el encaminamiento IP; como por ejemplo, Tag Switching de Cisco o Aggregate Route-Based IP Switching de IBM. La base común de todas estas tecnologías, era tomar el software de control de un router IP, integrarlo con el rendimiento de reenvío con cambio de etiqueta de un switch ATM y crear un router extremadamente rápido y eficiente en cuanto a coste. (Black, Uyless D., 2000) La integración en esta arquitectura era mayor, porque se utilizaban protocolos IP propietarios para distribuir y asignar los identificadores de conexión de ATM como etiquetas; pero los protocolos no eran compatibles entre sí y requerían aún de infraestructura ATM. (Black, 2001) Finalmente en 1997, el IETF (Internet Engineering Task Force) establece el grupo de trabajo MPLS ( MultiProtocol Label Switching) para producir un estándar que unificase las soluciones propietarias de conmutación de nivel 2. (Tejedor, 2012) El resultado fue la definición en 1998 del estándar conocido por MPLS, recogido en la RFC MPLS proporciona los beneficios de la ingeniería de tráfico del modelo de IP sobre ATM, pero además, otras ventajas; como una operación y diseño de red más sencillo y una mayor escalabilidad. (Tejedor, 2012) Por otro lado, a diferencia de las soluciones de conmutación de nivel 2 propietarias, está diseñado para operar sobre cualquier tecnología en el nivel de enlace, no únicamente ATM, facilitando así la migración a las redes ópticas de próxima generación, basadas en infraestructuras SDH/SONET y DWDM. (Tejedor, 2012) 8

22 Gráfico 1. Origen de la Tecnología MPLS (Édison Coimbra, 2010) Gráfico 2. Evolución de lp_atm hacia MPLS (Édison Coimbra, 2010) 9

23 2.2. Fundamentación Teórica Qué es MPLS? MPLS quiere decir Conmutación de Etiquetas Multiprotocolo ( Multiprotocol Label Switching), es una tecnología relativamente nueva que se desarrolló para solucionar la mayoría de los problemas que existen en la técnica actual de reenvío de paquetes, asignando etiquetas a los paquetes en función de su prioridad de despacho; permite construir redes virtuales privada (VPNs), flexibles y ampliables, que respaldan la prestación de servicios en diferentes niveles. (Canalis, 2003) Opera entre la capa de enlace de datos y la capa de red del modelo OSI, fue diseñado para unificar el servicio de transporte de datos para las redes basadas en circuitos y las basadas en paquetes, puede ser utilizado para transportar diferentes tipos de tráfico incluyendo tráfico de voz y de paquetes IP. (Peralta, 2012) Gráfico 3. Descripción de la Ubicación de MPLS en el modelo OSI Fuente. ( 2008) Según el énfasis que se tenga a la hora de explicar sus características y utilidad, MPLS se puede presentar como un sustituto de la conocida arquitectura IP sobre ATM, también como un protocolo para hacer túneles (sustituyendo a las técnicas habituales de tunneling ), o bien, como una técnica para acelerar el encaminamiento de paquetes. (Tejedor, 2012) 10

24 No obstante, se debe considerar MPLS como el avance más reciente en la evolución de las tecnologías de Routing y Forwarding en las redes IP, lo que implica una evolución en la manera de construir y gestionar las redes que se requieren para esta época. (Tejedor, 2012) Gráfico 4. Demostración Básica de una Red MPLS Fuente.( ivas/mpls-parte1-1c2011.ppt,2011) Cómo Funciona MPLS? Una red MPLS consiste en un conjunto de Enrutadores de Conmutación de Etiquetas (LSR) que tienen la capacidad de conmutar y rutear paquetes en base a la etiqueta que se ha añadido a cada paquete. (Barberá, 2007) Cada etiqueta define un flujo de paquetes entre dos puntos finales. Cada flujo es diferente y es llamado Clase de Equivalencia de Reenvío ( FEC), así como también cada flujo tiene un camino específico a través de los LSR de la red, es por eso que se dice que la tecnología MPLS es orientada a conexión. (Barberá, 2007) Cada FEC, además de la ruta de los paquetes contiene una serie de caracteres que define los requerimientos de QoS del flujo. (Barberá, 2007) 11

25 Los routers de la red MPLS no necesitan examinar ni procesar el encabezado IP, solo es necesario reenviar cada paquete dependiendo el valor de su etiqueta. (Barberá, 2007) Esta es una de las ventajas que tienen los routers MPLS sobre los routers IP, en donde el proceso de reenvío es más complejo. (Barberá, 2007) En un router IP cada vez que se recibe un paquete se analiza su encabezado IP para compararlo con la tabla de enrutamiento ( routing table) y ver cuál es el siguiente salto (next hop). (Morales, 2007) El hecho de examinar estos paquetes en cada uno de los puntos de tránsito que deberán recorrer para llegar a su destino final significa un mayor tiempo de procesamiento en cada nodo y por lo tanto, una mayor duración en el recorrido. (Morales, 2007) Gráfico 5. Distribución de Paquetes de la Red MPLS (Édison Coimbra, 2010) 12

26 Gráfico 6. Descripción paso a paso del funcionamiento del envío de paquetes en una Red MPLS (Édison Coimbra) Ventajas y Desventajas de MPLS Ventajas Fernández (2014) determino las siguientes ventajas: Un Paquete puede entrar por un punto final físicamente conectado a la red, o por otro router que no sea MPLS y que esté conectado a una red de computadoras sin conexión directa a la nube MPLS. El reenvío de la información se lleva a cabo mediante una búsqueda simple (lookup) en una tabla predefinida que enlaza los valores de las etiquetas con las direcciones del siguiente salto (next hop). Los paquetes enviados de mismos endpoints pueden tener diferente FEC, por lo que las etiquetas serán diferentes y tendrán un PHB distinto en cada LSR. Esto puede genera diferentes flujos en la misma red. 13

27 Desventajas Según el punto de vista de García (2008) llego a determinar las siguientes desventajas: En primer lugar, uno de los argumentos esgrimidos a favor de desarrollar MPLS, el incremento en la velocidad de proceso en los dispositivos de encaminamiento, ha declinado con la aparición de nuevos equipos más rápidos y potentes, como los denominados Gigabit routers. Si bien la posibilidad de apilar múltiples etiquetas aporta beneficios indudables, el incremento de la proporción de cabecera transportada contribuye a reducir el rendimiento de la red. Identificar mediante una etiqueta la calidad de servicio deseada no implica que esta solicitud se satisfaga. Es imprescindible que las tecnologías de red subyacentes provean los mecanismos necesarios para garantizar dicha calidad. MPLS está limitado al ámbito de conectividad de la Red del proveedor de Servicios Ventajas con Respecto otras Tecnología Fernández (2014) determinó que las ventajas de MPLS con respecto a las demás tecnologías con las siguientes: MPLS es un esquema de reenvío que es independiente tanto de la tecnología de nivel de red que esté sobre él, como de la de enlace que esté por debajo. Esto posibilita que se puedan aprovechar las tecnologías existentes mientras se migra a otras más modernas, facilitando así la recuperación de las inversiones en infraestructura de red. 14

28 Es una tecnología escalable, gracias a la estructura de la pila de etiquetas MPLS es fácil construir jerarquías de dominios MPLS por lo que se puede pasar de ámbitos más reducidos a ámbitos más globales de forma casi transparente. Permite usar cualquier protocolo de encaminamiento y de distribución tradicional o de última generación. Permite aplicar técnicas de ingeniería de tráfico con lo que la red deja de ser un simple elemento físico de transporte de información y se vuelve mucho más versátil. Realiza una única clasificación de los paquetes entrantes al dominio MPLS por lo que éste proceso se reduce enormemente con respecto a tecnologías como IP. Proporciona una conmutación basada en etiquetas que es muy rápida y eficiente. MPLS tiene ventaja sobre IPSec ya que en las redes virtuales implementadas con dicha tecnología solo se aplican al backbone del proveedor de servicios, lo que provee un escenario transparente para el usuario final Estructura de una Red MPLS La cabecera MPLS posee 32 bits de longitud, distribuidos en cuatro campos, cada uno con una función específica. 15

29 Gráfico 7. Descripción de la Cabecera de la Red MPLS (Javier Igor Doménico& Luna Victoria García,2011) Campo Label o Etiqueta: En base a este campo, los LSR pueden efectuar la conmutación. Esta etiqueta es asignada por el Ingress LER según parámetros descritos en el LSA. Como se indicó antes, los LSP son los que cambian la etiqueta a lo largo de su recorrido para poder formar un túnel LSP y la última etiqueta es extraída por el Egress LER. (Gray, 2001) Campo Experimental EXP: Campo para uso experimental, pero actualmente se utiliza para transmitir información DiffServ por la creciente demanda de prioridades en el protocolo IP con lo que se tendrían ocho niveles de prioridad incluyendo el esquema de Best Effort. (Gray, 2001) Campo Stacking: Gracias a este campo, se tienen jerarquías de etiquetas. MPLS tiene la capacidad de etiquetar tráfico MPLS de una red vecina con lo que se forma una pila o stack. Toma el valor 1 para la primera entrada en la pila, y cero para el resto. (Gray, 2001) Campo TTL Time to Live: Al igual que en el protocolo IP, este campo sirve como un contador del número de saltos para poder evitar la creación de bucles o loops que se puedan generar en el envío de los paquetes etiquetados. Este campo reemplaza al TTL de la cabecera IP durante el viaje del datagrama por la red MPLS y es disminuido en una unidad por cada nodo por el que pasa; si llegase a cero en algún LSP, será descartado. (Gray, 2001) 16

30 Arquitectura de la Red MPLS En la arquitectura de la red MPLS se deben vincular los elementos participantes y que además deben cumplir un papel fundamental en el funcionamiento de la red. Dichos elementos son detallados a continuación: Gráfico 8. Componentes y Conceptos Básicos de la Red MPLS (Édison Coimbra, 2010) Router Conmutador de Etiquetas (LRS: Label Switch Router) El LSR es un router conmutador de etiquetas que basa su funcionamiento de envío en el chequeo de la etiqueta o pila de etiquetas que ha sido añadida a un paquete IP en la frontera de ingreso al dominio MPLS. (Gavilanes L. M., 2007) 17

31 No realiza funciones de chequeo de capa de red ya que para el envío basta con analizar la etiqueta contenida en el paquete IP etiquetado, la cual le indica su siguiente salto. El LSR remueve la etiqueta y asigna otra para indicar el siguiente salto dentro de la red MPLS. (Gavilanes L. M., 2007) Gráfico 9. Diagrama de Bloques del LSR (Luis Villegas Gavilanes, 2007) Router de Frontera de Etiquetas (LE R: Label Egde Router) El LER es un enrutador el cual se encuentra en la frontera de una red MPLS. Se encarga de realizar y brindar funcionalidades de aplicaciones del cliente cuando esté conectado a la red de un proveedor MPLS. Este elemento se encuentra presente tanto en el ingreso como en el egreso de la red, cumpliendo las funciones principales de la misma. Estos enrutadores cumplen funciones ya sea para un Dominio MPLS como para un Dominio no MPLS. (Gavilanes A. B., 2007) 18

32 Cuando un paquete ingresa etiquetado a un LER de salida en la red MPLS, este dispositivo de red le realiza el chequeo correspondiente y al consultar con su tabla de etiquetas el LER de salida decide si el siguiente salto lo saca o no del dominio MPLS. Si el siguiente salto lo saca de la nube, el LER de salida removerá la etiqueta del paquete y lo enviara a su destino por enrutamiento convencional. Si el siguiente salto es una nube MPLS (puede ser él mismo LER, u otro dominio MPLS) el LER de salida mediante su tabla de etiquetas tomará la decisión correspondiente. (Jarrín, 2007) Gráfico 10. Diagrama de Bloques del LER (Luis Villegas Gavilanes, 2007) Clase Equivalente de Envío (FEC: Forwarding Equivalence Class) La Clase Equivalente de Envío (FEC) hace referencia a un subconjunto de paquetes IP que son tratados de la misma forma por un ruteador (sobre la misma ruta y con el mismo tratamiento de envío). 19

33 Se puede decir que en el enrutamiento convencional, cada paquete está asociado a un nuevo FEC en cada salto. En MPLS la operación de asignar una FEC a un paquete solo se realiza una vez que el mismo ingrese a la red. (Jarrín, 2007) Gráfico 11. Clasificación de la Distribución de los Paquetes Fec (Édison Coimbra, 2010) NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry) Es una entrada a una tablade envío en la que se indica la etiqueta del siguiente hop. Por lo tanto, cuando un paquete entra a una red MPLS, se le asigna un determinado FEC. (Salviat, 2005) Etiquetas (Label) La etiqueta en MPLS es un identificador de longitud corta y constante que se emplea para identificar una clase de envío equivalente (FEC), normalmente con carácter local. La etiqueta o pilas de etiquetas indican el camino que un paquete IP etiquetado 20

34 debe seguir hasta alcanzar su destino.en la tecnología TCP/IP la etiqueta se encuentra empaquetada en la cabecera MPLS. (Gavilanes A. B., 2007) Gráfico 12. Explicación Gráfica de la Segmentación de las Etiquetas en MPLS (Édison Coimbra, 2010) Creación de Etiquetas Tan (2004) considero importante las siguientes configuraciones de etiquetas: Para configurar el LSP cada LSR en el camino debe realizar una serie de operaciones: Antes de que el tráfico empiece a fluir, los LSRs toman decisiones para unir una etiqueta a una FEC, y construir sus tablas. Con LDP, los routers downstream inician la distribución de etiquetas y de las uniones etiqueta/fec. 21

35 También LDP realiza las negociaciones de las características relacionadas con tráfico y de las capacidades MPLS. Se usa un protocolo de transporte ordenado y confiable como protocolo de señalización. El LDP usa TCP La Pila de etiquetas (Label Stack) En un modelo más general, MPLS soporta la colocación de múltiples etiquetas a un solo paquete; en este caso, se soporta un diseño de ruteo jerárquico. Estas etiquetas se organizan en una pila o stack con una forma last-in, first-out (LIFO), y forma la llamada pila de etiquetas o label stack. El principal empleo de la pila de etiquetas se tiene cuando se emplea una operación MPLS llamada Tunneling. (Salviat, 2005) Uniones a Etiquetas Las etiquetas son enlazadas a una FEC como resultado de algún evento o política que indica la necesidad por dicha etiqueta. Estos eventos de unión pueden ser divididos en dos categorías: Uniones Data-Driven: Ocurre cuando el tráfico comienza a fluir, éste es sometido al LSR y es reconocido como un candidato a label switching (usa la recepción de un paquete para disparar el proceso de asignación y distribución de etiquetas). Las uniones a etiquetas son establecidas sólo cuando son necesitadas y son asignadas a flujos individuales de tráfico IP, y no a paquetes individuales. (Salviat, 2005) Uniones Control-Driven: Se establecen como resultado de la actividad del plano de control y son independientes del flujo de datos. Las uniones pueden ser establecidas como respuesta a actualizaciones de ruteo (usa procesamiento de protocolos de ruteo como OSPF y BGP), o por la recepción de mensajes 22

36 RSVP (usa procesamiento de control de tráfico basado en peticiones). (Salviat, 2005) Distribución de Etiquetas En cuanto al proceso de distribución de etiquetas, se plantean conceptos que indican la dirección en que éste ocurre: upstream y downstrem. Por ejemplo: tenemos dos LSRs, R1 y R2, y estos concuerdan en atar la etiqueta L a la FEC Z, para paquetes mandados de R1 a R2. Entonces se dice que con respecto a esta unión, R1 es el LSR upstream y R2 es el LSR downstream. Cuando se dice que un nodo es upstream y otro es downstream con respecto a una unión, significa únicamente que etiqueta en particular representa a una FEC en paquetes que viajan del nodo upstream al nodo downstream (significancia loc al de la etiqueta). Esto no implica que todos los paquetes de tal FEC tengan que ser necesariamente ruteados del nodo upstream al nodo downstream. (Salviat, 2005) La arquitectura MPLS no reconoce solamente a un método de señalización para la distribución de etiquetas. Protocolos existentes han sido extendidos, de manera que la información de etiquetas pueda ser cargada a cuestas dentro de los contenidos del protocolos (por ejemplo BGP, o túneles RSVP). El IETF ha definido en paralelo con la arquitectura MPLS, un nuevo protocolo conocido como el Protocolo de Distribución de Etiquetas (LDP), para un explícito manejo y señalización del espacio de etiqueta. (Rodríguez, 2008) También se han definido extensiones al protocolo LDP base, para soportar ruteo explícito basado en requerimientos QoS y CoS; estas extensiones se concentran en el protocolo Constraint-Based Label Distribution Protocol (CR-LDP). (Salviat, 2005) Los principales protocolos existentes y sus principales características son LDP, RSVP, CR-LDP, Protocol-Independent Multicast (PIM) y BGP (en el caso de VPNs). (Salviat, 2005) 23

37 Es una manera de manejar tráfico dentro de una red, al agrupar tipos similares de tráfico en clases, y asignarles a cada clase una prioridad en el nivel de servicio. (Salviat, 2005) Control de Distribución de Etiquetas MPLS define dos modos de control para la distribución de etiquetas entre LSRs vecinos: Control independiente: En este modo, un LSR reconoce una FEC en particular y toma la decisión de unir una etiqueta a la FEC independientemente de distribuir la unión a sus LSR pares. (Tan, 2004) Control Ordenado: En este modo, un LSR une una etiqueta a una FEC dado, si y solo si se trata de un LER. Es decir, que el LER o también llamado label manager, es responsable de la distribución de etiquetas. (Salviat, 2005) Esquemas de Distribución de Etiquetas En la arquitectura MPLS, la decisión de unir una etiqueta en particular a una FECen particular se realiza por el LSR que es downstream con respecto a dicha unión. Entonces el LSR downstream informa al LSR upstream de la unión. (Barberá, 2007) Por lo tanto las etiquetas son asignadas en tendencia downstream, y las uniones de etiquetas son distribuidas en dirección downstream a upstream. (Barberá, 2007) Con un control ordenado, la distribución de etiquetas puede ser disparada por el uso de dos posibles escenarios o esquemas: (Barberá, 2007) 24

38 Distribución de Etiquetas Downstream (no solicitada) DOU: En este método se permite que un LSR distribuya las uniones de etiquetas a LSRs que no los han requerido. (Barberá, 2007) Distribución de etiquetas Downstream-on-Demand (solicitada) DOD: Permite a un LSR requerir explícitamente, al siguiente hop de una FEC en particular, una unión de etiqueta para dicha FEC. (Barberá, 2007) Fusión de etiquetas (Label Merging) Los flujos de tráfico entrantes a un ruteador provenientes de diferentes interfaces, pueden ser fusionados y conmutados usando una etiqueta en común, si y solo si están viajando rumbo a un mismo destino. Esto es conocido como una fusión de flujos o agregación de flujos. (Barberá, 2007) Mecanismos de Señalización Petición de Etiquetas (label request):usando este mecanismo, un LSR hace una petición de etiqueta a su vecino downstream, de manera que la pueda unir a una FEC específica. Este mecanismo puede ser empleado por toda la cadena de LSRs hasta el LER de egreso. (Barberá, 2007) Mapeo de Etiquetas (label mapping): En respuesta a una petición de etiqueta, un LSR downstream entonces manda (mape a) una etiqueta al LSR upstream correspondiente, usando este mecanismo de mapeo. (Barberá, 2007) Gráfico 13. Mecanismo de Señalización (Luis Miguel Salviat Cortés, 2005) 25

39 Proceso de Envío en MPLS y tablas que lo asisten Un ruteador MPLS tiene como primera obligación, el procesar paquetes con etiquetas entrantes. A veces a esta información se le llama tabla cross connect (de interconexión), o en términos más adecuados y usados se le llama tabla NHLFE (Next Hop Label Forwarding Entry). Una tabla de este tipo se utiliza para el envío de paquetes etiquetados. (Morales, 2007) La principal ventaja de usar estas tablas en vez del tradicional ruteo, es que esta información puede ser procesada como datos de tipo Capa 2, donde el procesamiento es considerablemente más rápido que el ruteo. (Morales, 2007) La tabla NHFLE está formada principalmente por todas las etiquetas que pueden ser encapsuladas dentro de los paquetes. Cada NHLFE contiene: el siguiente salto (next hop) del paquete, y la operación que la pila de etiquetas debe ejecutar, que es la siguiente: (Morales, 2007) Reemplazar la etiqueta que se encuentra primera en la pila con una nuevaetiqueta específica. Ejecutar un pop en la pila. Repite el paso 1, y después ejecuta un push de una o varias nuevas etiquetas en la pila. Después de ejecutar el pop en la pila, la etiqueta obtenida se agrega al paquete, y es entonces cuando el paquete es enviado al siguiente hop por medio de la interfacede salida. (Morales, 2007) Como la NHLFE se encuentra en la interface de transmisión, la tabla no necesita almacenar información de la interface de salida. 26

40 La estructura de datos (tabla) con la que un LSR in terpreta etiquetas entrantes es llamada Mapa de Etiquetas Entrantes o Incomig Label Map (ILM). Una tabla ILM se forma de todas las etiquetas entrantes que un LSR o LER de egreso puede reconocer. (Morales, 2007) El contenido de cada entrada ILM es: etiqueta, código de operación, FEC y un campo opcional que contiene un enlace a la estructura de salida utilizada para el envío de los paquetes (NHLFE). Cada interfase lógica del LSR almacena su propia tabla ILM. (Morales, 2007) En el caso de un LER de ingreso, existe una estructura que tiene el propósito de ayudarle al ruteador a decidir que etiquetas agregar a un paquete en particular. Esta estructura es llamada FEC-to-NHLFE (FTN), es decir un mapeo de cada FEC a un conjunto de NHLFEs. Se usa para enviar paquetes que llegan no etiquetados, y que van a serlo antes de ser enviados. Una entrada FTN está formada por: una FEC y una entrada NHLFE. El procesamiento general que realiza esta tabla es la siguiente: (Salviat, 2005) Decide a que FEC pertenece un paquete. Encuentra la FEC dentro de la tabla FTN. Envía el paquete a la entrada NHLFE que corresponde a la FTN. En resumen: un LSR usa el mapeo FTN para enviar paquetes no etiquetados, yusa mapeo ILM cuando se trata de enviar paquetes etiquetados. (Salviat, 2005) Retención de etiquetas Canalis (2003) define la arquitectura MPLS como el tratamiento para uniones FEC/etiquetas en LSRs que no son el siguiente hop de una FEC en particular. Se definen dos modos: 27

41 Conservativo: En este modo, las uniones FEC/etiqueta recibidas por LSRs que no son el siguiente hop dentro de una FEC en particular son descartadas. Liberal: En este modo, las uniones recibidas por LSRs que no son el siguiente hop de la FEC son retenidas Ruta Conmutada de Etiquetas (LPS: Label Switched Path) El LSP es la ruta construida a base de concatenar uno o más LSRs dentro de un nivel jerárquico por el que un paquete etiquetado y perteneciente a una determinada clase puede circular. En MPLS todos los paquetes pertenecientes a una misma clase equivalente de envío circulan por el mismo LSP. (Gavilanes L. M., 2007) Tipos de LSP MPLS provee tres opciones para establecer una LSP: Ruteo hop-by-hop Cada LSR selecciona independientemente el siguiente hop para una FEC dada. Esta metodología es similar a la que se usa en redes IP. El LSR usa cualquiera de los protocolos de ruteo disponibles. (Salviat, 2005) Ruteo explícito El LSR de ingreso especifica la lista de nodos por la cual viaja la trayectoria explícita. Sin embargo, la ruta especificada puede ser no óptima. A lo largo de su trayectoria, los recursos deben ser reservados para asegurar una calidad de servicio para el tráfico de datos. Esto se puede realizar mediante el concepto de ingeniería de tráfico. (Salviat, 2005) 28

42 Ruteo Mediante un Algoritmo Por último está el ruteo mediante un algoritmo a base de restricciones en donde se toman en cuenta los requisitos de varios flujos de paquetes y los recursos disponibles en cada salto y en diferentes nodos. Una red MPLS que implementa esta técnica de selección de rutas está consciente en todo momento de la utilización de los recursos, de la capacidad disponible y de los servicios proporcionados. (Gray, 2001) Gráfico 14. Esquema de Operacional de la Red MPLS (Luis Miguel Salviat Cortés, 2005) A continuación se especifica paso a paso las operaciones MPLS, que se realizan con respecto a un paquete que entra al dominio MPLS Creación de Tablas Cuando un LSR recibe las uniones a etiquetas crea entradas para la base de información de etiquetas (LIB). Los contenidos de la LIB especifican el mapeo entre una etiqueta y una FEC. 29

43 El mapeo entre la tabla de puertos y etiquetas de entrada con la tabla de puertos y etiquetas de salida. Las entradas son actualizadas cada vez que se efectúa una renegociación de las uniones a etiquetas. (Salviat, 2005) Gráfico 15. Tabla de Etiquetas de un Router de Conmutación LSR (Edison Coimbra G., 2010) Inserción de etiquetas y chequeo de tablas El LER de ingreso usa la tabla LIB para encontrar el siguiente hop, y hace una petición de una etiqueta para una FEC en particular. Los LSRs subsecuentes solo usan la etiqueta para encontrar el siguiente hop. Una vez que un paquete llega al LER de egreso, la etiqueta es removida y el paquete es entregado a su destino. (Salviat, 2005) 30

44 Aplicaciones de la Red MPLS La potencialidad de MPLS consiste en que ha dado origen a una serie de aplicaciones como Ingeniería de Tráfico, Manejo de Clase de Servicio y Redes Privadas Virtuales (VPN), que hacen del concepto de convergencia una realidad. (Tejedor, 2012) Ingeniería de Tráfico La Ingeniería de Tráfico (TE) es una disciplina que procura la optimización del rendimiento de las redes operativas, abarca la aplicación de la tecnología y los principios científicos a la medición, caracterización, modelado, y control del tráfico que circula por la red. Las mejoras del rendimiento de una red operacional, en cuanto a tráfico y modo de utilización de recursos, son los principales objetivos de la Ingeniería de Tráfico, esto se consigue enfocándose a los requerimientos del rendimiento orientado al tráfico, mientras se utilizan los recursos de la red de una manera fiable y económica. (Martín, 2009) Una ventaja práctica de la aplicación sistemática de los conceptos de ingeniería de tráfico a las redes operacionales es que ayuda a identificar y estructurar las metas y prioridades en términos de mejora de la calidad de servicio dado a los usuarios finales de los servicios de la red, la aplicación de los conceptos ayuda en la medición y análisis del cumplimiento de éstas metas. (Martín, 2009) La ingeniería de tráfico se subdivide en dos ramas principalmente diferenciadas por sus objetivos: (Martín, 2009) Orientada a Tráfico: Esta rama tiene como prioridad la mejora de los indicadores relativos al transporte de datos, como por ejemplo: minimizar la pérdida de paquetes minimizar el retardo, maximizar el throughput, obtener distintos niveles de acuerdo para brindar calidad de servicio, etc. (Martín, 2009) 31